CN109611214B - 扫掠式等离子体射流点火器 - Google Patents

Abstract

提供一种扫掠式等离子体射流点火器，由射流出口(101)、射流自激振荡腔(102)、点火器壳体阴极(103)、点火器阳极(104)、点火器进气孔(105)、绝缘体(106)、导线连接孔(107)组成。该点火器，可以大大改善等离子体射流点火器产生射流方向固定，环境适应性不强的缺陷，增加点火成功概率。

Description

扫掠式等离子体射流点火器

技术领域

本发明属于航空发动机燃烧室设计领域，具体涉及一种扫掠式等离子体射流点火器，适用于宽范围内的航空发动机燃烧室内的可靠点火。

背景技术

目前航空发动机燃烧室中普遍采用点火电嘴作为点火方式，包含半导体点火电嘴、高能火花电嘴等。与间接点火器相比，这一类型点火器具有结构相对简单、可靠性高的优势，但有存在如下一些问题：受到放电效率的制约，点火系统直接用于点火的能量较少，导致点火能量不足，火核尺寸较小；特别是在高空条件下，点火能量不足的缺陷更加明显，严重影响了发动机的高空二次点火，造成了严重的安全隐患。

等离子体点火作为一种新型的点火方式，近年来受到国内外的广泛关注，被认为是解决目前航空发动机点火器点火能力不足的有效方案。其中，等离子体射流点火是等离子体点火的典型代表，具有点火能量大、火核穿透深度高的优点，能够有效缩短点火延迟时间，提高点火可靠性。

但是目前等离子体射流点火器的等离子体射流方向固定，当点火器的安装位置固定后只能在有限的方向产生等离子体射流，环境适应性较弱。但燃烧室结构复杂，流场结构并非时时处于设计状态，使得点火器产生等离子体射流的方向不一定是点火的最佳射流方向。

针对这一问题，本发明提出了一种利用康达效应产生负反馈射流从而驱动射流方向改变，形成扫掠式等离子体射流的新型点火器。

发明内容

为提高航空发动机点火器的点火成功概率，增加等离子体射流点火器的环境适应性，针对目前等离子体射流点火器产生的等离子体射流方向固定的不足之处，本发明提出一种扫掠式等离子体射流点火器。基于流体的康达效应，通过引入负反馈通道，产生负反馈射流，改变射流腔内部的压力分布，从而改变射流方向，形成扫掠式等离子体射流。

本发明的扫掠式等离子体射流点火器，以下简称为“点火器”，由射流出口101、射流自激振荡腔102、点火器壳体阴极103、点火器阳极104、点火器进气孔105、绝缘体106、导线连接孔107组成；其中

点火器壳体阴极103与燃烧室相连接固定，主体为圆柱形，其内部的纵剖面形状自上而下被射流出口101、射流自激振荡腔102、点火器阳极104的形状所限定，呈左右对称形状；点火器壳体阴极103的外部直径为14～18mm；

射流出口101在点火器壳体阴极103的最上方形成，为向外扩散的截面圆锥体形状，锥角为30°～60°，外直径范围为4～8mm，最下端的出口直径为1～2mm，高度为10～20mm；

射流自激振荡腔102紧临射流出口101，由左右两个“C”形射流反馈通道及中央通道组成，分别位于点火器对称平面两侧和中央，类似“日”字顺时针旋转90度的形状，反馈通道直径为2～3mm；中央通道截面为圆锥体形状，上锥面直径为2～4mm，下锥面直径为1～3mm，高度为8～12mm；

点火器阳极104上部为截面圆锥体形状，圆锥顶部直径不小于1mm，圆锥角为10°～30°，高度为3～7mm，下部为圆柱体，直径范围为3～6mm，整个点火器阳极104类似于一根削尖的铅笔形状；点火器阳极104与点火器壳体阴极103之间有引气通道；

点火器进气孔105为斜槽结构，形状为圆端形，直径范围为2～4mm，依托于外部气源进气，或利用燃烧室二次流引气；流入点火器进气孔105的气流通过点火器阳极104外围的引气通道进入射流自激振荡腔102；不考虑其中央处的点火器阳极104，整个引气通道上部为截面圆锥体形状，下部为圆柱形；截面圆锥体高度为8～16mm，锥角为45～60°；圆柱形直径为8～12mm，高度根据进点火器进气孔105的位置确定；

射流点火器绝缘体106为中空圆柱状结构，中部嵌入点火器阳极104，二者紧密连接，外部直径范围为8～12mm；

导线连接孔107位于点火器底部，用于将点火器阳极104连接到外部；并且

从气流通道看，射流出口101、射流自激振荡腔102、点火器阳极104外围的通道、和点火器进气孔105是空气连通的；

射流出口101、点火器壳体阴极103、射流自激振荡腔102、点火器阳极104、绝缘体106和导线连接孔107的中轴线与整个点火器的纵向中轴线相重合。

在本发明的一个具体实施例中，

点火器壳体阴极103的外部直径为18mm；

射流出口101的截面圆锥体的锥角为45°，外直径为8mm，最下端的出口直径为2mm，高度为14mm；

射流自激振荡腔102的反馈通道直径为3mm；中央通道截面的截面圆锥体，其上锥面直径为3mm，下锥面直径为2mm，高度为10mm；

点火器阳极104上部截面圆锥体的圆锥角为30°，高度为5mm；下部圆柱体的直径为5mm；

点火器进气孔105的圆端形的直径为3mm；整个引气通道上部的截面圆锥体的高度为10mm，锥角为60°，下部圆柱形的直径为12mm；

射流点火器绝缘体106的外部直径为12mm；导线连接孔107采用通用点火器的航空插头形状。

在本发明的一个实施例中，设置多个点火器进气孔105，沿环向均匀布置。

在本发明的一个具体实施例中，点火器进气孔105数量为4个。

上述扫掠式等离子体射流点火器的工作方法为：初始时刻，受到流体康达效应的影响，射流从点火器阳极104四周流入射流自激振荡腔102时，将紧贴某一侧壁面流动；假设第一射流201在射流自激振荡腔的中央通道内紧贴左侧壁面流动；由于射流出口101最小处的直径小于射流自激振荡腔102中轴流道上部直径，左侧的贴壁流体进入射流出口101的底部时将受到阻挡，一部分流体将射流自激振荡腔102的左侧“C形”反馈通道202，并从底部203位置处流向振荡腔的中轴处；此时射流自激振荡腔102左右压力不再相同，左侧压力增加，导致射流进入射流自激振荡腔102时将改变附壁方向，改变流动状态，即第二射流204从紧贴左侧壁面转向右侧壁面流动；同理，此时右侧贴壁射流将有部分流体从射流自激振荡腔的右上角205位置进入射流自激振荡腔102的右侧“C形”反馈通道，并从射流自激振荡腔的右下角206位置处流向振荡腔的中轴处；这样，射流自激振荡腔102的右侧压力增加，进入右侧的流体将射流逐步恢复成左侧贴壁状态；周而复始，射流将在射流自激振荡腔102内左右摆动，进而改变等离子体射流在射流出口101的贴壁方向，形成扫掠式射流；

此时，当点火器阳极104与点火器壳体阴极103之间施加高电压时，电极之间空气将被击穿，形成等离子体区域；受到射流驱动，等离子体将同载气从射流出口101喷出，且喷射方向受射流方向影响，从而形成扫掠式等离子体射流点火。

本发明的扫掠式等离子体射流点火器，可以大大改善等离子体射流点火器产生射流方向固定，环境适应性不强的缺陷。与常规点火电嘴相比，该点火器继承了等离子体射流点火器点火能量大的优势；但与已有的等离子体射流点火器相比，本发明的扫掠式等离子体射流点火器产生等离子体射流方向可变，可在较大区域内形成等离子体射流，有望大大提高点火器的环境适应能力，增加点火成功概率。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明从结构上来说，与现有等离子体射流点火器相比，扫掠式等离子体射流点火器没有增加任何机械式部件，完全依靠流体的康达效应，利用负反馈通道形成反馈射流驱动射流方向偏转，从而形成扫掠式等离子体射流，因此在提高点火器环境适应性同时，并没有增加点火装置的重量，降低点火器的可靠性。

2、本发明从功能上来说，与现有等离子体射流点火器相比，扫掠式等离子体射流点火器产生的等离子体射流不再局限于点火器中轴线方向，通过内部的负反馈射流通道，有效调节内部腔内的压力分布，形成自激振荡射流，从而使得等离子体射流在出口处的一定方向上形成扫掠，增加了点火成功概率。

综上，本发明的扫掠式等离子体射流点火器能够用于航空发动机燃烧室(包含加力燃烧室)，该点火器采用基于康达效应的射流振荡腔，在不增加机械结构件的条件下，能够使得等离子体射流在出口周期性的扫掠，使得等离子体射流与燃料接触的区域得到有效增加，从而提高点火成功概率，改善点火器的环境适应性。

附图说明

图1示出本发明的扫掠式等离子体射流点火器的内部剖面图；

图2示出本发明的扫掠式等离子体射流点火器产生扫掠射流的原理图，其中图2(a)示出射流紧贴右侧壁面流动的情形，图2(b)示出由此所形成的射流紧贴左侧壁面流动的情形；

附图标记：

101——射流出口，

102——射流自激振荡腔，

103——点火器壳体(阴极)，

104——点火器阳极，

105——点火器进气孔，

106——绝缘体，

107——导线连接孔，

201——出口右侧附壁射流，

202——左侧反馈射流，

203——左侧反馈射流腔，

204——出口左侧附壁射流，

205——右侧反馈射流，

206——右侧反馈射流腔。

具体实施方式

现结合附图1～2对本发明作进一步描述。

扫掠式等离子体射流点火器由射流出口101、射流自激振荡腔102、点火器壳体(阴极)103、点火器阳极104、点火器进气孔105、绝缘体106、导线连接孔107组成。点火器壳体(阴极)103外形设计如本领域人员熟知，用于与现有燃烧室相连接固定，主体为圆柱形，其内部的纵剖面形状自上而下被射流出口101、射流自激振荡腔102、点火器阳极104的形状所限定，呈左右对称形状，如下所述，点火器壳体(阴极)103的外部直径为14～18mm，优选18mm，射流出口101在点火器壳体(阴极)103的最上方形成，为向外扩散的截面圆锥体形状，锥角为30°～60°，优选45°，外直径范围为4～8mm，优选8mm，最下端的出口直径为1～2mm，优选2mm，高度为10～20mm，优选14mm。射流自激振荡腔102紧临射流出口101，由左右两个“C”形射流反馈通道及中央通道组成，位于点火器对称平面两侧和中央，类似“日”字顺时针旋转90度的形状，反馈通道直径为2～3mm，优选3mm；中央通道截面为圆锥体形状，上锥面直径为2～4mm，优选3mm，下锥面直径为1～3mm，优选2mm，高度为8～12mm，优选10mm。点火器阳极104上部为截面圆锥体形状，为防止由于电极烧蚀减少电极使用寿命，圆锥顶部直径不小于1mm，圆锥角为10°～30°，优选30°，高度5mm，下部为圆柱体，直径范围为3～6mm，优选5mm，整个点火器阳极104类似于一根削尖的铅笔形状。点火器进气孔105为斜槽结构，形状为圆端形，直径范围为2～4mm，优选3mm，可依托于外部气源进气，也可利用燃烧室二次流引气。点火器进气孔105气流通过阳极104外围的通道进入射流自激振荡腔102。整个引气通道上部为截面圆锥体形状，下部为圆柱形。圆柱形直径为8～12mm，优选12mm，高度根据进气孔105的位置确定，圆锥体高度为8～16mm，优选10mm，锥角为45～60°，优选60°。射流点火器绝缘体106为中空圆柱状结构，中部嵌入阳极104，二者紧密连接，外部直径范围为8～12mm，优选12mm。从气流通道看，射流出口101、射流自激振荡腔102、点火器阳极104外围的通道、和点火器进气孔105是空气连通的。导线连接孔107位于点火器底部，用于将阳极104连接到外部，导线连接孔107的具体构型如本领域人所熟知，参考通用点火器的航空插头设计。

点火器壳体(阴极)103设置在阳极的上方。射流自激振荡腔102设置于点火器壳体(阴极)103内部，由左右两个射流反馈通道组成。点火器阳极104套装在绝缘体106内部，位于进气孔105上端。点火器进气孔105可设置多个，例如设置4个，沿环向均匀布置，除用于产生等离子体射流外，还用于冷却放电电极。导线连接孔107位于点火器的底端，用于点火系统与点火器之间的连接。射流出口101、点火器壳体(阴极)103、射流自激振荡腔102、点火器阳极104、绝缘体106和导线连接孔107的中轴线与整个点火器的纵向中轴线相重合。

点火器射流自激振荡腔102，由左右两个射流反馈通道组成，位于点火器对称平面两侧，利用流体的康达效应，吸取一部分流体至射流进入振荡腔底部，改变初始射流方向，进而改变射流在振荡腔内的附壁面，最终改变射流出口方向。

该点火器的工作原理如下：初始时刻，受到流体康达效应的影响，射流从点火器阳极104四周流入射流自激振荡腔102时，将紧贴某一侧壁面流动。假设如图2(a)所示，射流201紧贴左侧壁面流动。由于射流出口101最小处的直径小于射流自激振荡腔102中轴流道上部直径，左侧的贴壁流体进入射流孔101的底部时将受到阻挡，一部分流体将进入102的左侧“C形”反馈通道202，并从底部203位置处流向振荡腔的中轴处。此时射流自激振荡腔102左右压力不再相同，左侧压力增加，导致射流进入射流自激振荡腔102时将改变附壁方向，形成如图2(b)所示的流动状态，即射流204从紧贴左侧壁面转向右侧壁面流动。同理，此时右侧贴壁射流将有部分流体从205位置进入102的右侧“C形”反馈通道，并从206位置处流向振荡腔的中轴处。这样，射流自激振荡腔102的右侧压力增加，进入右侧的流体将射流逐步恢复成左侧贴壁状态。周而复始，射流将在射流自激振荡腔102内左右摆动，进而改变等离子体射流在出口101的贴壁方向，形成扫掠式射流。

此时，当阳极104与点火器壳体(阴极)103之间施加高电压时，电极之间空气将被击穿，形成等离子体区域。受到射流驱动，等离子体将同载气从射流出口101喷出，且喷射方向受射流方向影响，从而形成扫掠式等离子体射流点火。

Claims (5)

1.扫掠式等离子体射流点火器，由射流出口(101)、射流自激振荡腔(102)、点火器壳体阴极(103)、点火器阳极(104)、点火器进气孔(105)、绝缘体(106)、导线连接孔(107)组成；其中

点火器壳体阴极(103)与燃烧室相连接固定，主体为圆柱形，其内部的纵剖面形状自上而下被射流出口(101)、射流自激振荡腔(102)、点火器阳极(104)的形状所限定，呈左右对称形状；点火器壳体阴极(103)的外部直径为14～18mm；

射流出口(101)在点火器壳体阴极(103)的最上方形成，为向外扩散的截面圆锥体形状，锥角为30°～60°，外直径范围为4～8mm，最下端的出口直径为1～2mm，高度为10～20mm；

射流自激振荡腔(102)紧临射流出口(101)，由左右两个“C”形射流反馈通道及中央通道组成，分别位于点火器对称平面两侧和中央，反馈通道直径为2～3mm；中央通道截面为圆锥体形状，上锥面直径为2～4mm，下锥面直径为1～3mm，高度为8～12mm；

点火器阳极(104)上部为截面圆锥体形状，圆锥顶部直径不小于1mm，圆锥角为10°～30°，高度为3～7mm，下部为圆柱体，直径范围为3～6mm；点火器阳极(104)与点火器壳体阴极(103)之间有引气通道；

点火器进气孔(105)为斜槽结构，形状为圆端形，直径范围为2～4mm，依托于外部气源进气，或利用燃烧室二次流引气；流入点火器进气孔(105)的气流通过点火器阳极(104)外围的引气通道进入射流自激振荡腔(102)；不考虑其中央处的点火器阳极(104)，整个引气通道上部为截面圆锥体形状，下部为圆柱形；截面圆锥体高度为8～16mm，锥角为45～60°；圆柱形直径为8～12mm，高度根据点火器进气孔(105)的位置确定；

射流点火器绝缘体(106)为中空圆柱状结构，中部嵌入点火器阳极(104)，二者紧密连接，外部直径范围为8～12mm；

导线连接孔(107)位于点火器底部，用于将点火器阳极(104)连接到外部；并且

从气流通道看，射流出口(101)、射流自激振荡腔(102)、点火器阳极(104)外围的通道、和点火器进气孔(105)是空气连通的；

射流出口(101)、点火器壳体阴极(103)、射流自激振荡腔(102)、点火器阳极(104)、绝缘体(106)和导线连接孔(107)的中轴线与整个点火器的纵向中轴线相重合。

2.如权利要求1所述的扫掠式等离子体射流点火器，其中

点火器壳体阴极(103)的外部直径为18mm；

射流出口(101)的截面圆锥体的锥角为45°，外直径为8mm，最下端的出口直径为2mm，高度为14mm；

射流自激振荡腔(102)的反馈通道直径为3mm；中央通道截面的截面圆锥体，其上锥面直径为3mm，下锥面直径为2mm，高度为10mm；

点火器阳极(104)上部截面圆锥体的圆锥角为30°，高度为5mm；下部圆柱体的直径为5mm；

点火器进气孔(105)的圆端形的直径为3mm；整个引气通道上部的截面圆锥体的高度为10mm，锥角为60°，下部圆柱形的直径为12mm；

射流点火器绝缘体(106)的外部直径为12mm；导线连接孔(107)采用通用点火器的航空插头形状。

3.如权利要求1所述的扫掠式等离子体射流点火器，其中设置多个点火器进气孔(105)，沿环向均匀布置。

4.如权利要求3所述的扫掠式等离子体射流点火器，其中点火器进气孔(105)数量为4个。

5.如权利要求1至4的任何一项所述的扫掠式等离子体射流点火器的工作方法为：初始时刻，受到流体康达效应的影响，射流从点火器阳极(104)四周流入射流自激振荡腔(102)时，将紧贴某一侧壁面流动；第一射流(201)在射流自激振荡腔的中央通道内紧贴左侧壁面流动；由于射流出口(101)最小处的直径小于射流自激振荡腔(102)中轴流道上部直径，左侧的贴壁流体进入射流出口(101)的底部时将受到阻挡，一部分流体将射流自激振荡腔(102)的左侧“C形”反馈通道(202)，并从底部(203)位置处流向振荡腔的中轴处；此时射流自激振荡腔(102)左右压力不再相同，左侧压力增加，导致射流进入射流自激振荡腔(102)时将改变附壁方向，改变流动状态，即第二射流(204)从紧贴左侧壁面转向右侧壁面流动；同理，此时右侧贴壁射流将有部分流体从射流自激振荡腔的右上角(205)位置进入射流自激振荡腔(102)的右侧“C形”反馈通道，并从射流自激振荡腔的右下角(206)位置处流向振荡腔的中轴处；这样，射流自激振荡腔(102)的右侧压力增加，进入右侧的流体将射流逐步恢复成左侧贴壁状态；周而复始，射流将在射流自激振荡腔(102)内左右摆动，进而改变等离子体射流在射流出口(101)的贴壁方向，形成扫掠式射流；

此时，当点火器阳极(104)与点火器壳体阴极(103)之间施加高电压时，电极之间空气将被击穿，形成等离子体区域；受到射流驱动，等离子体将同载气从射流出口(101)喷出，且喷射方向受射流方向影响，从而形成扫掠式等离子体射流点火。

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